等离子焊接技术精要

1/9等离子焊接技术精要摘要：等离子焊接工艺已成为当今制造产业的重要加工技术，是新一代焊接技术不可或缺的主要技术支撑，然而等离子焊接方法涉及的工艺参数有电流、电压、焊接速度、离子气流量、保护气流量，背保护气流量、钨针内缩量、喷嘴尺寸等，这些众多与其他焊接方法有所区别的工艺参数决定了其工艺的调试相对而言比较困难。笔者从事等离子焊接多年，其所在珠海市新维焊接器材有限公司是全球等离子焊接技术行业先驱——法国液化空气集团在中国区域的一级代理，笔者多年来致力于引起法夜空先进的焊接技术，从多年的实践中总结出了一套简单、易学、实用的技术经验。关键词：等离子焊接一、引言1.1何谓等离子？等离子的含义是指标准大气压下温度超过3000的气体混合物，由被激活的离子，电子，原子或分子组成，在温度谱上可以把它作为继固态、液体、气态之后的第四种物质。从1960年以来，在法国液化空气焊接公司的极大努力下，“等离子”这个词获得了新的含义，那就是电弧通过涡流环或喷嘴压缩而形成的高能束状态。这种等离子弧已被广泛应用于钢铁、化工及机械工业。1.2等离子焊接工艺的优点1.能量密集：对于8mm以下材料，无需开坡口；焊接速度快，变形小，焊接效率为手工焊接的4-5倍。2.母材化学成分变化小，能避免腐蚀问题。3.焊缝成型美观，工艺可重复性好。2/9二、影响等离子焊接效果的主要因素等离子焊接时，选择一套好的配置是必不可缺的，由于本文主要介绍实操经验，在此不做阐述。本文所有的数据、焊接样品等资料基于以下设备：焊接电源焊枪工装法国SAFBUFFALO500法国SAFSP7珠海新维焊接PIPWELDER500大口径不锈钢管环纵缝焊接一体机2.1电流主要影响熔深，电流越大，熔深越深，反之亦然。在一定电流强度下若有合适的等离子气体压力便可确保焊透，如提高电流强度便应相应增大焊接速度。2.2电压（即焊枪高度）主要影响熔宽，但是由于等离子弧的发散角很小，大约只有5度（氩弧焊的发散角约45度），所以只要其他参数合适，电压的变化不像氩弧焊或埋弧焊等对熔宽的影响那么敏感，但是为了保证焊缝的一致性，焊接过程中仍需要保持稳定的电压。所以一般的设备会配备弧压跟踪装置。2.3焊接速度在同样参数下，焊接速度越快，熔深和熔宽都会减小，反之亦然。2.4喷嘴喷咀的结构形状和几何尺寸对等离子弧的压缩作用和稳定性均有很大的影响，直接关系到焊接能力，使用寿命和焊缝成形质量。其结构形式有三种：单孔喷咀：这种喷咀只有一个中心直孔的压缩孔，常用于中、小电流等离子焊喷咀。3/9多孔喷咀：除有一个中心压缩孔外，在中心压缩孔的两侧还等距分布有两个和喷咀内气室相通的小孔。由这两只小孔喷出小股等离子气，从两侧压扁弧柱（起辅助压缩作用），减少焊缝宽度，可提高焊接速度和减少焊接接头的热影响区范围，常用于大电流等离子焊。这种形式的喷嘴安装时，三孔中心点连线必须与焊缝垂直。双锥度喷咀：其中心压缩孔又带了一个相反方向的锥度，可有效地避免双弧现象。使电弧更稳定，可增加可焊工件的厚度，尽管对等离子电弧的压缩作用有一些减弱，但可用更大的电流焊接。在选择喷嘴时必须注意以下几点：1.喷嘴形式。小电流焊接时多选择单孔型，大电流焊接时多选择多孔型，大于250A时优先选择双锥度型。2.喷嘴孔径d（图2）大小。喷嘴孔径越大代表其承载电流的能力越大，每个厂家都会提供孔道大小对应的参考电流值。以SAFSP7焊枪为例：)3孔圆柱型喷嘴φ1.5：120A，适用工件厚度1-2.5mm（熔透型）。)3孔圆柱型喷嘴φ2.5：170A，最大焊接厚度5mm（小孔型）。)3孔圆柱型喷嘴φ3.0：210A，最大焊接厚度6mm（小孔型）。)3孔收敛型喷嘴φ3.0：300A，最大焊接厚度8mm（小孔型）。在焊接过程中，喷嘴会吸收大量的热，为了保证喷嘴的寿命和焊接质量，选择焊枪时，其喷嘴必须能直接水冷（如图2），并考虑水流量的大小，SAF的SP7焊枪其水流量达4.5L/min,能及时带走喷嘴产生的热量。2.5钨针钨针角度：其实每个厂家在设计喷嘴时，就考虑到了钨针的磨削角度（图1），喷嘴内部的锥度需要与钨针的角度相互搭配，方能发挥出焊枪的最高效能。如果你不知道这些，那你就需要与你的供应商联系了。钨针磨削后还需平口，这样做是为了避免钨针尖端过快的烧损以致影响电弧的稳定性，如果你发现先导弧闪烁时，很可能是你的钨针有问题了。钨针的磨削角度错误会使钨针或喷嘴寿命大大缩短。图1：SAFSP7钨针磨削角度4/9钨针的内缩量：指的是钨针端部到喷嘴表面的距离（如图2），该内缩量越大，电弧被压缩的程度也越高，穿透能力就越强。但是注意不是内缩量越大越好的，最好以厂家提供的数据为准，过大的内缩量可能会导致喷嘴烧损。更换钨针时使用标准的工具来辅助安装，切记凭感觉安装，否则你难以得到一致性的焊缝。钨针喷嘴水冷通道图2：SAFSP7钨针内缩量L与喷嘴孔径d以法国SAF公司生产的SP7大功率等离子焊枪为例，规定的标准内缩量分别为1.5mm、1.8mm、2.5mm和3mm，并且提供了调节钨针内缩量的定位器，方便操作者精确定位钨针，保持稳定的焊接质量。2.6离子气多采用氩气，由于其较小的电离能量，故可取得较高的电离度。在焊接铬镍钢以及镍基合金时也往往在等离子气体中添加入少量的氢气（2%-5%）。由于氢的热焓较高，在同样电弧长度的情况下具有较高的能量，比用纯氩气时的焊接速度高。具有较好的导热性。在焊接钛和锆时，因同样的原因，在等离子气体中添加了氦气。等离子气体的耗量随具体情况而异。一般而论，对微束等离子焊为0.2-1升/分，而对厚板等离子焊随电流强度的变化在1-6升/分间选择，笔者经常使用以下的方法来确定离子气的流量：离子气流量=工件厚度-1例如厚6毫米的工件，初始调试时使用的离子气流量为5L/min.在其余焊接参数不变的情况下，随着等离子气体流量和流速的增加，熔池的压力也增大。等离子气体流量过大时会将熔池熔化的母材吹离熔化区域。若在焊接厚壁材料时其流量过低，又难以形成理想的焊道。等离子气体流量过小也会引起等离子喷嘴和钨针的迅速磨损。相同的熔深可由高的电流强度和较小的等离子气体流量，或者也可由低的电流强度和较大的等离子气体流量来实现。原因在于当等离子气体流量较大时射流通过压缩的铜喷嘴可以产生较大的能量，从而使熔池扩大。但过大的等离子气体压力也可能导5/9致表面的压入，最后成为等离子切割。在调节电流无法得到理想的焊缝时，不妨尝试一下调节离子气流量，或许会有意想不到的效果。2.7正面保护气由于只用等离子气体焊接时不能完全保护熔池和其相邻的高温区域，故必须另外再使用保护气体。借助保护气体的导热性和电离性的差异，可以扩大或缩小等离子电弧。如用氩气时可扩大电弧，而用氦气和氩气+氢气混合气体时则起压缩电弧的作用。保护气体的种类也可影响到焊缝成形和焊接速度。焊接钢材时，采用添加5-10%氢的混合保护气体可降低熔池表面张力和焊缝过渡区咬边的倾向。在保护气体喷咀够长的情况下，通过氢的还原作用，可确保焊缝表面不受氧化。当然氢用得过多时也会引起气孔。焊接非合金钢和低合金钢时还可以用氢气和二氧化碳的混合保护气体。而对于其它材料，氩气中只能加入微量氢气或完全不允许加入氢气，以避免产生气孔和变脆的危险。图3等离子焊接试样—自熔，正面效果图4等离子焊接试样—TIG盖面，正面效果6/92.8背面保护气等离子焊接时，背面保护气是不可缺少的，常用的为氩气，既能起到保护焊址的作用，对焊缝的正面成型也能起到正作用。所以即便是焊接碳钢时，也需要使用背面保护气。背面保护气不宜过大，并且要有一进一出的流通通道，否则会造成焊缝根部内凹，焊缝正面拱起。图5等离子焊接试样——背面成型通背气的背气槽尺寸要合适，过小了影响背面形状，过大了造成气体的浪费，保护效果也不理想，推荐使用6mmx6mm的背气槽。2.9等离子环缝焊接要点1.图6表示在焊水平回转管子时推荐采用的最隹焊枪位置图6：焊枪位置焊枪的位置需要根据管径的大小来确定，管径小，偏离的角度就大些。注意除了偏离角度之外，焊枪的轴心线必须与起弧点的法线垂直。2.焊接参数的精确控制和时序控制用穿孔效应焊接法时，在熄弧处往往会出现缩孔状或气孔状缺陷，这是由于穿孔的残余部分所致。拼板焊接时一般加引弧板和收弧板，但是在环缝焊接时，必须采取必要的措施来防止这种缺陷。大部分厂家只是通过降低电流强度和无级地降低等离子气体的流量来逐渐封口，这样做从外观上来看是绝对没有问题的，但是如果你把焊口全部做X光检测的话就会发现个别、甚至少数的焊口在收弧处会有气孔。7/9因此除了这两个因素外，还必须采取必要的措施来保证100%的焊缝合格率。法国SAF独创的时序控制通过协调五个焊接参数非常好的解决了这个问题。图7等离子环缝焊接试样8/9三、总结3.1等离子焊接注意要点1.喷嘴的冷却以直接冷却最佳，喷嘴的型号选择必须与使用电流相符；2.钨针的磨削角度及内缩量对焊接影响很大；3.调节电流较难取得理想效果时，调节离子气流量会有意想不到的效果；4.离子气和保护气的气体类型选择很重要；5.背面保护气是必不可缺的；6.环缝焊接时，焊枪位置和时序控制是关键；3.2厚板等离子焊的常见缺陷及预防缺陷缺陷特征成因未熔透等离子气体流量过小或不均匀；电流强度过小或不稳定；焊接速度过大或不均匀；焊枪距离过大；垫板槽深过浅，推荐槽尺寸为6mmx6mm。塌陷等离子气体流量过大或等离子喷嘴过小；钝边过大；电流强度过大；焊接速度过小；焊接填充材料过少。咬边焊接速度过大，无压缩电弧气体；等离子气体、压缩气体和保护气体不纯和流量不够；焊枪握持不当；无填充材料。气孔母材中含气量过高；焊接速度过大；等离子气体、压缩气体和保护气体的化学成分不理想，以及其它外部影响；气体量过大；焊接填充材料的化学成分不当。开裂使用了对热裂纹敏感的母材和焊接填充材料；冷却速度不当；焊接件应力过高。9/93.3奥氏体不锈钢304/316L平焊焊接参数焊丝离子气L/min保护气L/min厚度mm电流A电压V焊接速度cm/min直径mm速度cm/minArAr+2%H2Ar+5%H2Ar+2%H2喷嘴型号214225-27601602153孔φ2.5315525-28501504.515-203孔φ2.5417025-29501.260515-203孔φ2.5518025-30281.2605.520-253孔φ2.5618024-26261.2606.120-253孔φ3.0824024-26291.290820-253孔φ3.03.3奥氏体不锈钢304/316L环焊焊接参数焊丝离子气L/min保护气L/min厚度mm电流A电压V焊接速度cm/min直径mm速度cm/minArAr+2%H2Ar+5%H2Ar+2%H2喷嘴型号2.612525-27431503.5153孔φ24.517525-28301604.315-203孔φ2.5517525-29301654.515-203孔φ2.5621725-3026170620-253孔φ3